Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

В 1843 году британские ученые встретили сообщение Джоуля о том, что механическую работу можно превратить в теплоту, гробовым молчанием. Год спустя Королевское общество отказалось принять его статью, в которой в противовес Карно доказывалось, что пар, расширяющийся в цилиндре, теряет теплоту и что в конденсатор ее попадает меньше, чем выходит из котла. В 1845 году в Кембридже Джоуль делает доклад о том, что вода после водопада должна быть теплее, чем до него, и даже вычисляет этот прирост температуры для Ниагарского водопада — 0,11 °C. Еще через два года в Оксфорде он выступает с новым докладом, после которого собравшиеся физики обвиняют его в том, что свои слишком далеко идущие выводы он делает на основе каких-то сотых долей градуса.

Во время одного из этих выступлений и состоялась первая встреча Джоуля с молодым профессором Вильямом Томсоном — будущим лордом Кельвином. Слушая Джоуля, Томсон — знаток и поклонник Карно — испытал желание встать и доказать манчестерцу, что он не прав. «Но по мере того, как я слушал его, — вспоминал потом Томсон, — я понял: хотя в выводах Карно и есть зерно истины, от которого нельзя отказаться, Джоуль тоже прав и сделал великое открытие».

В течение нескольких лет Томсон, ставший другом Джоуля, не мог принять его взглядов. Он делал вместе с ним опыты, пытался измерять нагревание воды в водопадах, много размышлял о взаимопревращениях работы и теплоты. «Может оказаться, — думал он, — что разрешение этой проблемы потребует отказа от фундаментального положения Карно… Если мы сделаем это, мы столкнемся с бесчисленными новыми трудностями. Для их преодоления понадобятся новые эксперименты и перестройка всей теории теплоты до самых ее основ». И вот, когда Томсон, убежденный опытами Джоуля, уже начал сомневаться в принципе Карно, его родной брат Джеймс, основываясь на этом принципе, предсказал, что температура замерзания льда должна понижаться при увеличении давления. Тут только Томсон начал догадываться: быть может, принцип сохранения энергии не так-то уж противоречит принципу Карно. Но окончательно разрешить проблему довелось не ему…

Всего через несколько месяцев появилась статья немецкого физика Рудольфа Клаузиуса. «Вовсе не надо отбрасывать теорию Карно, — писал он. — Весьма возможно, что при получении работы оба процесса имеют место: какое-то количество теплоты подводится, какая-то часть передается от нагретого тела к холодному, и обе эти величины находятся в определенном отношении к произведенной работе».

Что же получалось?

Карно дал глубокие и правильные заключения о принципах работы паровых машин, считая, что теплород в них не уничтожается. А Клаузиус утверждал: эти глубокие и правильные заключения требуют, чтобы теплород в процессе получения механической работы в машинах уничтожался..

Сложилось положение, поистине труднодоступное для понимания. И тем не менее оно не было безнадежным…

СОМНОЖИТЕЛИ ТЕПЛОТЫ

Когда Сади Карно начал размышлять о движущей силе огня, ему прежде всего пришлось задуматься над тем_; какой должна быть идеальная тепловая машина. Ему надо было в реальной, покрытой копотью, стучащей и вибрирующей машине увидеть никому еще не ведомую идеальную и указать на те особенности и процессы, которые отличают машины реальные от идеальных. И Карно сделал это в форме, изумительной по глубине понимания, ясности и краткости.

«В телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, — писал он, — не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема… (выделено мной. — Г. С.). Всякое изменение температуры, обязанное не изменению объема, обязательно происходит от непосредственного перехода теплорода от более или менее нагретого тела к телу более холодному. Этот переход имеет, главным образом, место при соприкосновении тел с различной температурой: такие соприкосновения должны быть уменьшены насколько возможно». Чтобы оценить всю глубину и изящество формулировки Карно, нужно понять, что такое изменение температуры, происходящее не от изменения объема.

Всегда, когда мы, прикладывая усилия, производим какое-то перемещение, мы совершаем работу против тех или иных сил. Скажем, растягивая или закручивая стальной стержень, мы совершаем работу против упругих сил. Накачивая воздух в автомобильную камеру — против сил давления. Вталкивая электрически заряженное тело в электростатическое поле — против сил этого поля и т. д. Чтобы вычислить произведенную в каждом из этих случаев работу, нужно умножить обобщенную силу (силу, крутящий момент, давление) на разность соответствующих обобщенных координат (путь, угол поворота, изменение объема).